A Transcriptomic Biomarker to Classify Chemical-Induced Histone Deacetylase Inhibition in Human HepaRG Cells

हमारे पर्यावरण में मौजूद रसायन कभी-कभी शरीर को उन तरीकों से नुकसान पहुँचा सकते हैं जिन्हें तब तक देख पाना कठिन होता है जब तक कि नुकसान हो ही न जाए। सार्वजनिक स्वास्थ्य की रक्षा के लिए, वैज्ञानिकों को ऐसे बेहतर तरीकों की आवश्यकता है जिनसे यह अनुमान लगाया जा सके कि कौन से पदार्थ खतरनाक हैं, इससे पहले कि वे लोगों तक पहुँचें। दशकों तक, यह कार्य काफी हद तक जानवरों पर रसायनों के परीक्षण पर निर्भर रहा है, लेकिन नए पीढ़ी के तरीके अब मानव कोशिकाओं (जो प्रयोगशालाओं में उगाई गई हैं) पर ध्यान केंद्रित कर रहे हैं। ये "नई दृष्टिकोण पद्धतियाँ" (new approach methods) अधिक तेज़, सस्ती और मानव जीव विज्ञान के लिए अधिक प्रासंगिक होने का लक्ष्य रखती हैं। इस बदलाव का एक प्रमुख हिस्सा यह देखना है कि रसायन जीन की गतिविधि को कैसे बदलते हैं। जीन हमारे कोशिकाओं के भीतर के निर्देश होते हैं, और जब कोई विषाक्त रसायन शरीर में प्रवेश करता है, तो वह अक्सर इन निर्देशों को अस्त-व्यस्त कर देता है, जिससे कुछ चालू हो जाते हैं और कुछ बंद हो जाते हैं। इन परिवर्तनों को पढ़कर, वैज्ञानिक नुकसान के विशिष्ट प्रकार की पहचान कर सकते हैं, जैसे कि क्या वे डीएनए को नुकसान पहुँचा रहे हैं या कोशिकाओं के आंतरिक तंत्र के प्रबंधन के तरीके में व्यवधान डाल रहे हैं। इस तरह के व्यवधानों में से एक 'हिस्टोन डीएसेटिलेज इनहिबिटर्स' (HDAC इनहिबिटर्स) हैं। ये वे रसायन हैं जो 'डीएसिटिलेशन' नामक एक प्राकृतिक प्रक्रिया में हस्तक्षेप करते हैं, जो हमारे डीएनए को कसकर पैक और व्यवस्थित रखने में मदद करती है। जब इस प्रक्रिया में बाधा आती है, तो डीएनए बहुत ढीला हो जाता है, जिससे जीन गलत समय पर सक्रिय हो जाते हैं और संभावित रूप से कोशिका मृत्यु या कैंसर का कारण बनते हैं। इन विशिष्ट व्यवधानों की पहचान करना सुरक्षा परीक्षण के लिए अत्यंत महत्वपूर्ण है, लेकिन इन्हें खोजने के लिए उपयोग किए जाने वाले उपकरण ऐतिहासिक रूप से उन कोशिका प्रकारों तक सीमित रहे हैं जो मानव यकृत (लीवर) द्वारा दवाओं को संसाधित करने के तरीके का पूर्ण प्रतिनिधित्व नहीं करते हैं।

हेल्थ कनाडा के शोधकर्ताओं और उनके अंतर्राष्ट्रीय भागीदारों ने मानव यकृत कोशिकाओं के लिए विशेष रूप से एक नया पहचान उपकरण बनाकर इस कमी को दूर करने का प्रयास किया। यकृत शरीर का मुख्य रासायनिक प्रसंस्करण केंद्र है, और यहीं पर कई पदार्थों को नुकसान पहुँचाने से पहले तोड़ा जाता है। टीम ने 'हेपाआरजी' (HepaRG) नामक एक परिष्कृत मानव यकृत कोशिका रेखा का उपयोग किया, जो यकृत के प्राकृतिक चयापचय कार्यों की नकल करने की अपनी क्षमता के लिए जानी जाती है। उन्होंने इन कोशिकाओं को बाईस अलग-अलग रसायनों के सावधानीपूर्वक चुने गए समूह के संपर्क में रखा: आठ ज्ञात HDAC इनहिबिटर्स और चौदह रसायन जिनमें यह प्रभाव नहीं है। लक्ष्य एक कंप्यूटर सिस्टम को यह सिखाना था कि HDAC इनहिबिटर्स द्वारा छोड़े गए अद्वितीय "फिंगरप्रिंट" को कैसे पहचाना जाए। शोधकर्ताओं ने प्रत्येक रसायन के साथ तीन दिनों तक अलग-अलग मात्रा में उपचार किया, जो कोशिकाओं को तुरंत मारे बिना पूर्ण जैविक प्रतिक्रिया को पकड़ने के लिए पर्याप्त अवधि थी। इसके बाद, उन्होंने 'टेम्पो-सीक' (TempO-Seq) नामक एक उच्च-गति अनुक्रमण तकनीक का उपयोग करके कोशिकाओं के भीतर प्रत्येक जीन की गतिविधि को मापा, जो कोशिका के भीतर के रासायनिक निर्देशों को पढ़ने वाले एक तीव्र स्कैनर की तरह कार्य करता है।

इस विशाल डेटा से, वैज्ञानिकों ने एक सौ दो विशिष्ट जीनों की पहचान की जो हर बार सक्रिय हुए जब भी HDAC इनहिबिटर मौजूद था। उन्होंने इस जीनों के संग्रह को TGx-HDACi-HepaRG नाम दिया। यह परीक्षण करने के लिए कि यह नया उपकरण काम करता है या नहीं, उन्होंने इसे फिर से कोशिकाओं का विश्लेषण करने के लिए उपयोग किया, इस बार उन सभी विभिन्न सांद्रताओं (concentrations) को देखा जो उन्होंने परीक्षण की थीं। परिणाम आश्चर्यजनक रूप से सटीक थे। नए जीन सिग्नेचर ने प्रत्येक HDAC इनहिबिटर को खतरे के रूप में सही ढंग से पहचाना और प्रत्येक गैर-इनहिबिटर को सुरक्षित के रूप में सही ढंग से पहचाना, केवल एक उल्लेखनीय अपवाद के साथ: परीक्षण की गई सबसे कम सांद्रता पर, उपकरण 'पैनोबिनोस्टेट' (Panobinostat) नामक HDAC इनहिबिटर को सही ढंग से वर्गीकृत करने में विफल रहा। यह रसायनों की विभिन्न सांद्रताओं की एक विस्तृत श्रृंखला में काम कर गया, बहुत कम खुराक से लेकर उच्च खुराक तक, जिससे यह पता चलता है कि यह उपकरण इन व्यवधानों को स्पष्ट कोशिका मृत्यु होने से पहले भी पकड़ने के लिए पर्याप्त संवेदनशील है। इस स्तर की सटीकता महत्वपूर्ण है क्योंकि इसका अर्थ है कि नियामक संभावित रूप से हजारों रसायनों की तेजी से और विश्वसनीय रूप से जांच कर सकते हैं, जिसके लिए उन्हें पशु परीक्षण पर निर्भर होने की आवश्यकता नहीं होगी।

अध्ययन ने यह भी उजागर किया कि विभिन्न कोशिकाएं एक ही रासायनिक तनाव के प्रति कैसे अलग-अलग प्रतिक्रिया देती हैं। शोधकर्ताओं ने अपने नए यकृत-आधारित उपकरण की तुलना एक पुराने संस्करण से की जिसे एक अलग प्रकार की मानव कोशिका का उपयोग करके विकसित किया गया था, जिसमें यकृत जैसा चयापचय क्षमता वाला गुण नहीं है। उन्होंने पाया कि दोनों उपकरणों में साझा किए गए जीन लगभग न के बराबर थे; दोनों सूचियों में केवल चार जीन समान थे। यह कोई विफलता नहीं थी, बल्कि एक खोज थी। इसने दिखाया कि जबकि अंतिम जैविक परिणाम—कोशिका के आंतरिक क्रम में व्यवधान—वही है, लेकिन वहां तक पहुँचने के लिए कोशिका द्वारा अपनाया जाने वाला मार्ग कोशिका के प्रकार पर बहुत अधिक निर्भर करता है। यकृत कोशिकाओं ने संकट का संकेत देने के लिए अन्य कोशिकाओं की तुलना में जीनों के एक अलग सेट का उपयोग किया। यह खोज इस विचार को पुष्ट करती है कि सुरक्षा परीक्षणों को वास्तव में सटीक होने के लिए अध्ययन किए जा रहे विशिष्ट अंग या कोशिका प्रकार के अनुरूप बनाया जाना चाहिए। एक उपकरण जो यकृत के लिए डिज़ाइन किया गया है, उसे यकृत कोशिकाओं का उपयोग करके बनाया जाना चाहिए ताकि उस अंग द्वारा रसायनों को संभालने के अनूठे तरीके को पकड़ा जा सके।

केवल रसायनों की पहचान करने के अलावा, शोधकर्ताओं ने इस बात की गहराई से जांच की कि ये एक सौ दो जीन वास्तव में कोशिकाओं को क्या करने के लिए कह रहे थे। विश्लेषण ने दिखाया कि HDAC इनहिबिटर्स ने कोशिका चक्र नियंत्रण (cell cycle control), तनाव प्रबंधन और क्षतिग्रस्त कोशिकाओं को हटाने से जुड़ी एक समन्वित प्रतिक्रिया को सक्रिय किया। जीन ने विशिष्ट जैविक मार्गों की ओर संकेत किया, जैसे कि वे जो यह नियंत्रित करते हैं कि कोशिकाएं कैसे विभाजित होती हैं और ऑक्सीडेटिव तनाव के प्रति कैसे प्रतिक्रिया करती हैं। यह पुष्टि करता है कि उपकरण केवल यादृच्छिक शोर (random noise) को नहीं पकड़ रहा है, बल्कि वास्तविक, जटिल जैविक तंत्रों को पकड़ रहा है जो इन रसायनों को खतरनाक बनाते हैं। शोधकर्ताओं ने उल्लेख किया कि हालांकि उपकरण ने उन रसायनों पर पूर्ण प्रदर्शन किया जिनका उपयोग इसे बनाने के लिए किया गया था, फिर भी इसे वास्तविक दुनिया के सभी परिदृश्यों में काम करने की पुष्टि करने के लिए विभिन्न प्रकार के पदार्थों के विरुद्ध परीक्षण करने की आवश्यकता है। फिर भी, इस अध्ययन की सफलता भविष्य के लिए एक मजबूत आधार प्रदान करती है। यह प्रदर्शित करता है कि मानव यकृत के अद्वितीय जीव विज्ञान का सम्मान करने वाले अत्यधिक सटीक, मानव-आधारित उपकरण बनाना संभव है, जो सार्वजनिक स्वास्थ्य की रक्षा के लिए एक अधिक आधुनिक और प्रभावी प्रणाली का मार्ग प्रशस्त करता है।